Прогнозирование изменения свойств эластомеров при термическом старении Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 62-762.4, 62-762.8, 678

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СВОЙСТВ ЭЛАСТОМЕРОВ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОМ СТАРЕНИИ

А. А. Ашейчик, В. Л. Полонский

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого Российская Федерация, 195251, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, 29

E-mail: aseichik52@mail.ru

Рассмотрены вопросы прогнозирования изменения прочностных свойств эластомеров, используемых для изготовления резиновых уплотнений, работающих при высоких температурах в узлах ракетной и космической техники.

Ключевые слова: прогнозирование, резина, термическое старение, напряжение разрыва, относительное удлинение при разрыве.

PREDICTION OF CHANGE OF ELASTOMER PROPERTIES AT THERMAL AGEING

A. А. Asheichik, V. L. Polonsky

Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University 29, Polytechnicheskaya Str., St.-Petersburg, 195251, Russian Federation E-mail: aseichik52@mail.ru

The questions of prediction of change of strength properties of the elastomers used for production of the rubber seals. They work at high temperatures in rocket and space equipment are considered in the article.

Keywords: prediction, rubber, thermal ageing, tensile strength, ultimate strain, elongation.

Известно, что прочностные свойства резины ухудшаются в процессе хранения и эксплуатации. Этот процесс резко ускоряется при повышенных температурах [1-4]. При использовании резин для изготовления уплотнений узлов ракетно-космической техники, эксплуатирующихся при высоких температурах, гарантийный срок службы может достигать 10 и более лет. Проведение таких длительных испытаний принципиально невозможно.

Задачей данной работы являлась проверка возможности использования резины HNBR для изготовления неподвижных уплотнений узлов ракетно-космической техники при температуре эксплуатации 150 °С и гарантированном сроке службы 10 лет. Использование метода конечных элементов [2; 5; 6] показало, что использование данной резины возможно при минимально предельных значениях напряжения при разрыве [of ] = 10,4 МШ.

Поставленная задача решалась экспериментальным методом с последующим использованием метода прогнозирования, основанного на использовании зависимости Аррениуса, описывающей изменение свойств эластомеров в процессе термического старения

K(T) = A • e-£'RT,

где K(T) - значение свойства эластомера; А - константа, характеризующая данный процесс; Е - энергия активации; R - газовая постоянная; T - абсолютная температура.

Для определения прочностных характеристик резины, напряжения при разрыве Of и относительного удлинения при разрыве Sf, использовалась стандартная разрывная машина с термокамерой, обеспечивающей возможность испытаний при температурах от -100 до +300 °С. В качестве образцов

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2016. Том 1

для испытаний использовались лопатки, вырубаемые из пластин резины ИКБЯ. На этой же установке проводились испытания образцов резин, подвергнутых старению. В этом случае образцы перед испытаниями помещались в термошкаф, обеспечивающий постоянную температуру старения в диапазоне от 50 до 300 °С с принудительной вентиляцией. Значения о/ рассчитывались по данным условных напряжений разрыва ое^ полученным в результате экспериментов по формуле

О / =°епё (1 + £/ ).

На рис.1 приведены результаты исследования прочностных свойств резины, не подвергавшейся старению ( = 0), и резин состаренных различное время при разных температурах были проведены различные этапы исследования. При термостарении образцы резины в виде лопаток нагревались в термошкафу без нагрузки при температуре старения Т = 363, 393, 433 и 473 К. Продолжительность нагревания составляла ^ = 10, 24, 80, 300 часов. На рис. 1 показана также точка, соответствующая минимальному предельному значению [ог ], для которого предстояло провести прогнозирование свойств резины.

Of, МПа

Рис. 1. Изменение напряжения разрыва во времени после кратковременного старения образцов резины HNBR

Как видно из рис. 1, прочностные свойства резины постоянно падают как с ростом температуры старения, так и с увеличением времени старения. Однако из анализа графиков, представленных на рис. 1, следует, что простая экстраполяция на длительные сроки эксплуатации, превышающие время термостарения в экспериментах в 20-30 раз, невозможна.

Для прогнозирования напряжения разрыва состаренной резины HNBR через 10 лет на основании рекомендаций изложенных в ISO 11346 зависимости напряжения разрыва от времени при различных температурах были построены в других координатах с последующим графическим определением времен, через которые происходит уменьшение напряжений разрыва до различных уровней. После построения по ISO 11346 номограммы и ее использования на заключительном этапе был построен график изменения относительной характеристики напряжения во времени при заданной температуре эксплуатации (рис. 2).

Из рис. 2 следует, что при этом сроке эксплуатации (lg t = 4,94) уровень падения напряжения ofT/of20 через 10 лет составит 0,21. Абсолютное значение On- при температуре Т = 150 °С и сроке эксплуатации t = 10 лет составит On- = 11,7 МПа.

Таким образом, использования данного метода прогнозирования позволило установить, что резина HNBR при эксплуатации ее в узле нефтяного оборудования при температуре 150 °С в течение 10 лет обеспечит минимальное предельное значение [of ] = 10,4 МПа с коэффициентом запаса 1,13.

а /о

п /

1

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1

1 2 3 4 5 6

1й»>ч

Рис. 2. Прогнозирование напряжения разрыва через 10 лет при температуре 150 °С

Проведенные исследования показали, что изменение свойств резинового уплотнения при его длительной эксплуатации (5-10 лет) с высокой вероятностью может быть спрогнозировано по результатам испытаний образцов из эластомера, использованного для изготовления этого уплотнения, после их кратковременного старения (10-12 дней). Таким образом, длительные дорогостоящие испытания уплотнений ракетной и авиационной техники в деформированном состоянии могут быть заменены стандартными испытаниями образцов резин после их краткосрочного термостарения в неде-формированном состоянии.

Библиографические ссылки

1. Ашейчик А. А., Чулкин С. Г. Экспериментальная механика. СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2008. 107 с.

2. Ашейчик А. А., Полонский В. Л. Экспериментальное исследование эластомеров и полимеров для нефтяной промышленности. СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2015. 236 с.

3. Ашейчик А. А. О методике испытаний эластомеров на устойчивость к взрывной декомпрессии // Фундаментальные исследования в технических университетах : материалы XI Всерос. конф. по проблемам науки и высшей школы. Сер. Труды СПбГПУ. СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2007. С.247-248.

4. Ашейчик А. А., Полонский В. Л. Прогнозирование изменения физико-механических свойств эластомеров при термическом старении // Современное машиностроение. Наука и образование. 2013. № 3. С. 265-272.

5. Лазарев С. О., Ашейчик А. А., Полонский В. Л. Вычислительная механика. СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2007. 122 с.

6. Чулкин С. Г., Ашейчик А. А., Селин С. Н. Использование композитных материалов в узлах трения нефтяного оборудования - шаровой запорной арматуры и в кабелях-толкателях // Вопросы материаловедения. 2012. № 4(72). С. 240-244.

© Ашейчик А. А., Полонский В. Л., 2016